本发明涉及微波调频领域，特别是涉及一种基于里德堡原子的量子天线调频波接收装置和方法。
背景技术
微波通讯已经成为目前主要的通讯手段之一，其在社会生活、科学研究和军事等领域具有重大的意义。传统的调频微波通讯是把待传输的信号通过调制载波频率的方式加载到微波上，然后在接收端通过天线喇叭接收调频波，并经过调制解调的方式将所传输的信号提取出来，但是解调的过程中会导致传输的信号失真，同时接收天线喇叭和解调电路极大的依赖于载波频率。对于不同频率的微波通讯，接收端需要采用不同的探头进行接收。
技术实现要素：
本发明主要为解决现有问题的不足之处而提供一种基于里德堡原子的量子天线调频波接收装置和方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于里德堡原子的量子天线调频波接收装置，包括：量子天线调频波接收端、第一激光光源、第二激光光源、高反射率反射镜、双色镜、光电探测器、数据采集系统和微波源；
其中，第一激光光源发出第一激光作为探测光，经过高反射率反射镜从量子天线调频波接收端的第一端入射；第二激光光源发出第二激光作为耦合光，耦合光通过双色镜从量子天线调频波接收端的第二端入射，第一激光和第二激光在量子天线调频波接收端内的光路相对重叠；高反射率反射镜和双色镜的正面与水平面成45度夹角，光电探测器和数据采集系统设置于双色镜另一端；其中，所述量子天线调频波接收端为装有铯原子蒸气的玻璃铯泡；
在量子天线调频波接收端内，作为耦合光的第二激光的频率在铯原子的第一激发态与里德堡态ns1/2共振跃迁线附近扫描，通过光电探测器探测得到无多普勒背景的电磁感应透明光谱；
在无频率调制时，微波源产生的微波场的频率与里德堡态ns1/2到另一个相邻里德堡态n’p1/2的频率间隔相等，此时微波场耦合相邻的两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2，电磁感应透明光谱将发生autler-townes分裂(at分裂)变成两个峰，获取两个峰之间的频率间隔，作为微波耦合两个里德堡能级的拉比频率；
待传输信号作为调制信号mfm(t)；微波作为载波，表示为eccos(2πfct)，其中，fc为与两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2共振的微波频率；通过调频的方式将调制信号mfm(t)加载到微波上，经过调频后微波频率相对于共振微波频率的失谐量δf由调制信号mfm(t)引起，公式表示为
δf＝mfm(t)(1)
微波场的频率将按照调制信号发生变化，微波频率的失谐导致at分裂的两个峰的高度发生变化；将光电探测器探测到的信号输入到数据采集系统中，对at分裂的两个峰的高度进行实时测量，并实时计算出两峰的相对高度差，f＝(h1-h2)/(h1+h2)；其中，h1和h2为两个峰的高度；
通过测量的at分裂的频率间隔得到微波耦合两个里德堡能级的拉比频率ωmw，同时得到at分裂峰的相对高度差f随调制信号的变化，计算微波频率的失谐量δf随时间的变化
即可直接读出调制信号。
其中，第一激光的波长为852nm，频率锁定在铯原子的基态6s1/2，f＝4到第一激发态6p3/2，f’＝5的共振跃迁线上；第二激光波长为510nm，作为耦合光耦合铯原子的第一激发态6p3/2，f’＝5与某一里德堡态ns1/2。
其中，第一激光和第二激光的频率满足铯ns1/2里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件。
其中，微波场的微波频率耦合相邻的两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2，使得铯原子从里德堡原子阶梯型三能级系统变成四能级系统。
其中，微波的频率范围为1ghz-1000ghz，传输信号为任意波形的调制信号，数据采集系统的采集速率高于基带信号的调制频率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于里德堡原子的量子天线调频波接收方法，通过如前述技术方案所述的量子天线调频波接收装置进行调制，该方法的步骤包括：
设置第一激光光源发出第一激光作为探测光，经过高反射率反射镜从量子天线调频波接收端的第一端入射；设置第二激光光源发出第二激光作为耦合光，耦合光通过双色镜从量子天线调频波接收端的第二端入射，第一激光和第二激光在量子天线调频波接收端内的光路相对重叠；高反射率反射镜和双色镜的正面与水平面成45度夹角，光电探测器和数据采集系统设置于双色镜另一端；其中，所述量子天线调频波接收端为装有铯原子蒸气的玻璃铯泡；
在量子天线调频波接收端内，作为耦合光的第二激光的频率在铯原子的第一激发态与里德堡态ns1/2共振跃迁线附近扫描，通过光电探测器探测得到无多普勒背景的电磁感应透明光谱；
在无频率调制时，微波源产生的微波场发出的微波频率与里德堡态ns1/2到另一个相邻里德堡态n’p1/2的频率间隔相等，此时微波场耦合相邻的两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2，电磁感应透明光谱将发生autler-townes分裂(at分裂)变成两个峰，获取两个峰之间的频率间隔，作为微波耦合两个里德堡能级的拉比频率；
待传输信号作为调制信号mfm(t)；微波作为载波，表示为eccos(2πfct)，其中，fc为与两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2共振的微波频率；通过调频的方式将调制信号mfm(t)加载到微波上，经过调频后微波频率相对于共振微波频率的失谐量δf由调制信号mfm(t)引起，公式表示为
δf＝mfm(t)(1)
微波场的频率将按照调制信号发生变化，微波频率的失谐导致at分裂的两个峰的高度发生变化；将光电探测器探测到的信号输入到数据采集系统中，对at分裂的两个峰的高度进行实时测量，并实时计算出两峰的相对高度差，f＝(h1-h2)/(h1+h2)；其中，h1和h2为两个峰的高度；
通过测量的at分裂的频率间隔得到微波耦合两个里德堡能级的拉比频率ωmw，同时得到at分裂峰的相对高度差f随调制信号的变化，计算微波频率的失谐量δf随时间的变化
即可直接读出调制信号。
其中，第一激光的波长为852nm，频率锁定在铯原子的基态6s1/2，f＝4到第一激发态6p3/2，f’＝5的共振跃迁线上；第二激光波长为510nm，作为耦合光耦合铯原子的第一激发态6p3/2，f’＝5与某一里德堡态ns1/2。
其中，第一激光和第二激光的频率满足铯ns1/2里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件。
其中，微波场的微波频率耦合相邻的两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2，使得铯原子从里德堡原子阶梯型三能级系统变成四能级系统。
其中，微波的频率范围为1ghz-1000ghz，传输信号为任意波形的调制信号，数据采集系统的采集速率高于基带信号的调制频率。
区别于现有技术，本发明的基于里德堡原子的量子天线调频波接收装置和方法采用里德堡原子的电磁感应透明光谱作为探测手段，对调频微波作用下的at分裂光谱进行测量，实现了基于原子的量子天线调频波接收，可以形成量子通讯接收仪，直接读出调制信号，不需要庞大的天线和解调电路，克服了传统微波通讯接收端需要庞大的天线和采用解调方式的缺点。探头对电场没有干扰，装置十分简便，易于实现微型化，适于广泛推广。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于里德堡原子的量子天线调频波接收装置的结构示意图。
图2是本发明提供的一种基于里德堡原子的量子天线调频波接收方法的流程示意图。
图3是实现本发明所述的基于里德堡原子三能级系统电磁感应透明的双光子共振激发示意图。
图4是本发明所述的微波场耦合两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2构成四能级系统的能级示意图。
图5是本发明中共振微波场和失谐微波场作用时的谱线示意图。
图6是本发明中现有技术解调得到的调制信号与采用本发明读出的调制信号的比较示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
参阅图1，图1是本发明提供的一种基于里德堡原子的量子天线调频波接收装置的结构示意图。该装置包括：量子天线调频波接收端1、第一激光光源2、第二激光光源3、高反射率反射镜4、双色镜5、光电探测器6、数据采集系统7和微波源8；
其中，第一激光光源2发出第一激光作为探测光，经过高反射率反射镜4从量子天线调频波接收端1的第一端入射；第二激光光源3发出第二激光作为耦合光，耦合光通过双色镜5从量子天线调频波接收端1的第二端入射，第一激光和第二激光在量子天线调频波接收端1内的光路相对重叠；高反射率反射镜4和双色镜5的正面与水平面成45度夹角，光电探测器6和数据采集系统7设置于双色镜5另一端；其中，所述量子天线调频波接收端1为装有铯原子蒸气的玻璃铯泡；高反射率反射镜4选用对852nm的探测光具有高反射率的全反镜，双色镜5选用对852nm的探测光具有高透射率、对510nm的耦合光具有高反射率的二向色镜。
在量子天线调频波接收端1内，作为耦合光的第二激光的频率在铯原子的第一激发态与里德堡态ns1/2共振跃迁线附近扫描，通过光电探测器6探测得到无多普勒背景的电磁感应透明光谱；
在无频率调制时，微波源8产生的微波场的频率与里德堡态ns1/2到另一个相邻里德堡态n’p1/2的频率间隔相等，此时微波场耦合相邻的两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2，电磁感应透明光谱将发生at分裂变成两个峰，获取两个峰之间的频率间隔，作为微波耦合两个里德堡能级的拉比频率；
微波场耦合两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2构成四能级系统的能级示意图如图4所示。
待传输信号作为调制信号mfm(t)；微波作为载波，表示为eccos(2πfct)，其中，fc为与两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2共振的微波频率；通过调频的方式将调制信号mfm(t)加载到微波上，经过调频后微波频率相对于共振微波频率的失谐量δf由调制信号mfm(t)引起，公式表示为
δf＝mfm(t)(1)
微波场的频率将按照调制信号发生变化，微波频率的失谐导致at分裂的两个峰的高度发生变化；将光电探测器6探测到的信号输入到数据采集系统7中，对at分裂的两个峰的高度进行实时测量，并实时计算出两峰的相对高度差，f＝(h1-h2)/(h1+h2)；其中，h1和h2为两个峰的高度；
通过测量的at分裂的频率间隔得到微波耦合两个里德堡能级的拉比频率ωmw，同时得到at分裂峰的相对高度差f随调制信号的变化，计算微波频率的失谐量δf随时间的变化
即可直接读出调制信号。
图5所示为共振微波场和失谐微波场作用时的谱线示意图。最下面线为共振微波场作用下的谱线，中间的线为微波场正失谐40mhz作用下的谱线，上面的线为微波场负失谐40mhz作用下的谱线。
优选的，第一激光的波长为852nm，频率锁定在铯原子的基态6s1/2，f＝4到第一激发态6p3/2，f’＝5的共振跃迁线上；第二激光波长为510nm，作为耦合光耦合铯原子的第一激发态6p3/2，f’＝5与某一里德堡态ns1/2。
优选的，第一激光和第二激光的频率满足铯ns1/2里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件。基于里德堡原子三能级系统电磁感应透明的双光子共振激发示意图如图3所示。
优选的，微波场的微波频率耦合相邻的两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2，使得铯原子从里德堡原子阶梯型三能级系统变成四能级系统。
优选的，微波的频率范围为1ghz-1000ghz，传输信号为任意波形的调制信号，数据采集系统的采集速率高于基带信号的调制频率。
参阅图2，图2是本发明提供的一种基于里德堡原子的量子天线调频波接收方法的流程示意图。该方法通过如前述技术方案所述的量子天线调频波接收装置进行调制，其步骤包括：
设置第一激光光源发出第一激光作为探测光，经过高反射率反射镜从量子天线调频波接收端的第一端入射；设置第二激光光源发出第二激光作为耦合光，耦合光通过双色镜从量子天线调频波接收端的第二端入射，第一激光和第二激光在量子天线调频波接收端内的光路相对重叠；高反射率反射镜和双色镜的正面与水平面成45度夹角，光电探测器和数据采集系统设置于双色镜另一端；其中，所述量子天线调频波接收端为装有铯原子蒸气的玻璃铯泡；
在量子天线调频波接收端内，作为耦合光的第二激光的频率在铯原子的第一激发态与里德堡态ns1/2共振跃迁线附近扫描，通过光电探测器探测得到无多普勒背景的电磁感应透明光谱；
在无频率调制时，微波源产生的微波场的频率与里德堡态ns1/2到另一个相邻里德堡态n’p1/2的频率间隔相等，此时微波场耦合相邻的两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2，电磁感应透明光谱将发生at分裂变成两个峰，获取两个峰之间的频率间隔，作为微波耦合两个里德堡能级的拉比频率；
待传输信号作为调制信号mfm(t)；微波作为载波，表示为eccos(2πfct)，其中，fc为与两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2共振的微波频率；通过调频的方式将调制信号mfm(t)加载到微波上，经过调频后微波频率相对于共振微波频率的失谐量δf由调制信号mfm(t)引起，公式表示为
δf＝mfm(t)(1)
微波场的频率将按照调制信号发生变化，微波频率的失谐导致at分裂的两个峰的高度发生变化；将光电探测器探测到的信号输入到数据采集系统中，对at分裂的两个峰的高度进行实时测量，并实时计算出两峰的相对高度差，f＝(h1-h2)/(h1+h2)；其中，h1和h2为两个峰的高度；
通过测量的at分裂的频率间隔得到微波耦合两个里德堡能级的拉比频率ωmw，同时得到at分裂峰的相对高度差f随调制信号的变化，计算微波频率的失谐量δf随时间的变化
即可直接读出调制信号。
图6所示为常规调制信号与采用本发明恢复的调制信号的比较。其中，实线为设置的调制信号，圆点为恢复的调制信号。
优选的，第一激光的波长为852nm，频率锁定在铯原子的基态6s1/2，f＝4到第一激发态6p3/2，f’＝5的共振跃迁线上；第二激光波长为510nm，作为耦合光耦合铯原子的第一激发态6p3/2，f’＝5与某一里德堡态ns1/2。
优选的，第一激光和第二激光的频率满足铯ns1/2里德堡原子阶梯型三能级系统电磁感应透明的条件。
优选的，微波场的微波频率耦合相邻的两个里德堡能级ns1/2和n’p1/2，使得铯原子从里德堡原子阶梯型三能级系统变成四能级系统。
优选的，微波的频率范围为1ghz-1000ghz，传输信号为任意波形的调制信号，数据采集系统的采集速率高于基带信号的调制频率。
区别于现有技术，本发明的基于里德堡原子的量子天线调频波接收装置和方法采用里德堡原子的电磁感应透明光谱作为探测手段，对调频微波作用下的at分裂光谱进行测量，实现了基于原子的量子天线调频波接收，可以形成量子通讯接收仪，直接读出调制信号，不需要庞大的天线和解调电路，克服了传统微波通讯接收端需要庞大的天线和采用解调方式的缺点。探头对电场没有干扰，装置十分简便，易于实现微型化，适于广泛推广。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。